藝術(shù)馬賽克自動排版生產(chǎn)線設(shè)計

王永翔，吳志鵬，黎勉

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510090)

藝術(shù)馬賽克是由底層膠網(wǎng)和各種顏色的馬賽克片料組成不同圖案的建材。隨著精神文化生活的需求越來越高，藝術(shù)馬賽克以其絢麗、花樣多變，正受到建筑裝飾人士的青睞，有著巨大的市場潛力。然而，要完成這樣一張藝術(shù)馬賽克的生產(chǎn)，首先需要將各種顏色的馬賽克片料翻轉(zhuǎn)到正面向上，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的圖案，按各個位置所需的顏色，把相應(yīng)顏色的馬賽克片料在模具上逐個排好，校驗無誤后再和膠網(wǎng)粘合成一定規(guī)格大小，然后再烘干而成。目前國內(nèi)大部分藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)企業(yè)，均采用人工排版、手工操作，工人在工作過程中不斷重復(fù)這些單調(diào)、枯燥乏味的動作，易使人產(chǎn)生厭倦情緒，效率低、出錯率高。近年來的用工荒，對這種不需要技術(shù)的簡單重復(fù)勞動，越來越難招到工人。因此，企業(yè)急需解決藝術(shù)馬賽克的自動排版問題，迫切需要使用機器代替人工，用自動化裝配代替手工勞作。

1 自動排版原理

藝術(shù)馬賽克是先在無色透明的玻璃片底面貼上不同顏色的底片，形成各種顏色的馬賽克片料，再由若干種顏色的片料按一定的規(guī)律粘貼組合成300 ×300(或其他規(guī)格)并具有一定圖案的一片。因此，藝術(shù)馬賽克自動排版生產(chǎn)線的工作要由多組機構(gòu)共同協(xié)作才能完成。如圖1 所示，一條藝術(shù)馬賽克自動排版生產(chǎn)線包含上料機構(gòu)、正反識別和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、抓取以及模具移動機構(gòu)等，在計算機的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、控制下完成全過程。藝術(shù)馬賽克自動排版生產(chǎn)線的自動排版原理是將每一種顏色的片料分別指定一個代碼，模具上的每一個小格根據(jù)該位置對應(yīng)的顏色進行編碼，且模具上每一格的編碼都與對應(yīng)顏色的片料的代碼相同，通過抓取機構(gòu)與模具移動機構(gòu)的配合，將馬賽克片料粘貼到模具上代碼與馬賽克片料顏色代碼相同的位置上。根據(jù)各顏色片料粘貼前是否進行排列，又可以將排版方式分為機械手選擇型和片料排列型兩種形式。

圖1 自動排版裝置原理示意圖

1.1 機械手選擇型

每種顏色的片料經(jīng)翻轉(zhuǎn)整列后，停止在出料口，等待機械手移動到相應(yīng)位置取料，再移動到模具指定位置粘貼。

1.2 片料排列型

每種顏色的片料經(jīng)翻轉(zhuǎn)整列后，停止在出料口，各顏色出料口由PLC 統(tǒng)一進行控制，使各顏色的片料按圖案要求出料，并排列于待粘貼片料隊列中，等待機械手取料粘貼。

1.3 系統(tǒng)的組成與分析

藝術(shù)馬賽克排版工序流程如圖2 所示，由四部分組成:

(1)上料系統(tǒng):將馬賽克片料送上自動裝配線。

(2)正反面識別系統(tǒng):根據(jù)馬賽克片料正反面的反射率不同進行正反面判別。

(3)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng):根據(jù)判別結(jié)果使所有馬賽克片料同一面向上。

(4)排版系統(tǒng):將不同顏色的馬賽克片料按指定圖案順序排好。

圖2 藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)工序流程圖

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計及選擇

2.1 上料機構(gòu)

振動式上料器是市面上最常用的上料器之一，但是，由于藝術(shù)馬賽克片料的基本材質(zhì)是脆硬的玻璃，振動容易把片料的邊角損壞，故不宜選用振動式上料器。

圖3 上料機構(gòu)示意圖

升降式上料裝置如圖3 所示，由料斗、傳動皮帶、隔條、擋板、出料管組成。料斗的大小可根據(jù)希望儲料的多少進行設(shè)計，上料速度可通過控制傳動皮帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。隔條與皮帶的運動方向傾斜一定的角度，使馬賽克片在傳送帶上提升的同時，在重力作用下沿著隔條向左移動，由于擋板僅在出料管處開有缺口，使其只能在缺口處順著出料管流向正反判別機構(gòu)。該上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、上料效率高。

2.2 正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機構(gòu)

藝術(shù)馬賽克是在無色透明的玻璃片底面貼上不同顏色的底片，因此，正面光滑反光率高，反面粗糙反光率低，故可選用漫反射型光電傳感器進行正反面判別。

2.2.1 方案一

如圖4 所示，馬賽克片料經(jīng)上料機構(gòu)的出料管進入整列輪，通過控制整列輪每次轉(zhuǎn)動的角度和中斷時間，即可控制傳送帶上的片料保持均勻的間隔，以方便后續(xù)的正反檢測與翻轉(zhuǎn)工作。馬賽克片料由傳送帶運輸至限位導(dǎo)軌末端時，光電傳感器對片料正反面進行檢測，當(dāng)傳感器輸出大于設(shè)定閾值X 時，檢測面為正面，由噴嘴A 動作，將片料吹倒;當(dāng)傳感器輸出小于設(shè)定閾值Y 時，檢測面為反面，由噴嘴B 動作，將片料吹倒。至此，所有片料都被翻轉(zhuǎn)為正面朝上。這種方式要占用較多的空間，且片料采用豎直傳送，穩(wěn)定性差，可靠性不太理想。

圖4 方案一的正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機構(gòu)示意圖

2.2.2 方案二

如圖5 所示，正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機構(gòu)由漫反射傳感器、托板、氣缸、翻轉(zhuǎn)弧、匯集槽、導(dǎo)向框組成。馬賽克片料經(jīng)上料機構(gòu)的出料管滑下并進入導(dǎo)向框內(nèi)，經(jīng)過漫反射傳感器所對應(yīng)的位置時，把該片馬賽克片是正面向右還是反面向右的信息傳遞到計算機。托板上分別開了左右兩個下料口9 和4，假定正面向左，則計算機令氣缸活塞右移，使導(dǎo)向框中的馬賽克片從托板的右下料口沿翻轉(zhuǎn)弧滑下，使馬賽克片正面向上，進入?yún)R集槽;若正面向右，則計算機令氣缸活塞左移，使導(dǎo)向框中的馬賽克片從托板的左下料口沿翻轉(zhuǎn)弧滑下，使馬賽克片正面向上，進入?yún)R集槽。顯然方案二的機構(gòu)更加緊湊可靠。

圖5 方案二的正反面判別、翻轉(zhuǎn)及匯集機構(gòu)示意圖

2.3 排序送料機構(gòu)

排序送料機構(gòu)也有多種方案可供選擇。

方案一采用把排版與抓取合在一起的機械手選擇型，如圖6 所示，將翻轉(zhuǎn)好的各種顏色的馬賽克片送入合流導(dǎo)軌，合流導(dǎo)軌將散亂的片料整合為一列，導(dǎo)軌末端的擋板將片料擋住，當(dāng)片料積累到一定數(shù)量時，機械臂才允許動作。機械臂每次動作過程:機械臂下降至指定高度，吸盤接通負(fù)壓，將片料吸起，機械臂上升，接著順時針旋轉(zhuǎn)180°，機械臂下降，吸盤接通正壓，將片料放下，然后再升起，逆時針旋轉(zhuǎn)180°回到初始位置。若機械臂兩端均有吸盤，可使每次的旋轉(zhuǎn)動作同時完成吸起與放下動作，效率提高一倍。但需要不同顏色的片料時，機械臂要將吸料端移動至該顏色的指定位置，同時，模具驅(qū)動機構(gòu)要把模具放上一顏色片料的對應(yīng)位置移到機械臂放料端，控制關(guān)系比較復(fù)雜，且轉(zhuǎn)角控制誤差對位置精度影響較大(見圖7)。另外，其排版方式選用的是機械手選擇型，由于藝術(shù)馬賽克包含的片料顏色較多，機械手需在不同顏色出料口之間頻繁移動，模具驅(qū)動機構(gòu)也要作與之適應(yīng)的運動，降低了排版效率。

圖6 機械手選擇型排序送料示意圖

圖7 水平旋轉(zhuǎn)與豎直旋轉(zhuǎn)對定位精度的影響

方案二采用排版與抓取相對獨立的片料排序型工作方式，排序送料機構(gòu)(見圖8)由光電開關(guān)、擋板、氣缸、傳送帶、限位開關(guān)組成。抓取機構(gòu)(見圖9)由負(fù)壓吸盤、機械臂、曲柄、電機組成。模具移動機構(gòu)(見圖10)由電機和滾珠絲杠導(dǎo)軌組成。進入?yún)R集槽的馬賽克片在擋板處停留，當(dāng)計算機根據(jù)排版要求需要該顏色的馬賽克片時，且光電開關(guān)3 檢測到匯集槽有料、光電開關(guān)2 檢測到傳送帶在該位置沒料時，氣缸活塞動作，推出一片馬賽克片然后退回，高速轉(zhuǎn)動的傳送帶把馬賽克片快速送到限位開關(guān)的位置(即把每一行的馬賽克片料按顏色順序排好)，等待抓取機構(gòu)抓取。各種顏色的馬賽克片排序機構(gòu)中的氣缸何時動作，由計算機根據(jù)圖案顏色先后順序所確定的邏輯關(guān)系進行控制。計算機控制模具移動機構(gòu)，把模具將要放片的位置(格子)準(zhǔn)確移到抓取機構(gòu)的放料位置下方。裝在抓取機構(gòu)機械臂下的負(fù)壓吸盤把吸料位置處的馬賽克片吸起，抓取機構(gòu)驅(qū)動電機帶動曲柄逆時針轉(zhuǎn)過180°，把機械臂下的馬賽克片移到左邊的放料位置，把負(fù)壓吸盤上的馬賽克片放到模具的格子上，然后，驅(qū)動電機帶動曲柄順時針轉(zhuǎn)過180°，把機械臂移到右邊的吸料位置，準(zhǔn)備吸下一片馬賽克片。同時，移動機構(gòu)把模具下一個放片位置(格子)移到抓取機構(gòu)的放料位置下方。由于采用了片料先在輸送帶上排序、機械手只需在固定的抓取位置與放料位置作簡單的往復(fù)運動，模具移動機構(gòu)也只需作簡單的步進運動，使得排版效率較方案一有大幅度提高。而且，方案二所需組件更少，控制簡單，抓取機械臂在豎直面運動，設(shè)備所占水平空間更小，轉(zhuǎn)角控制誤差對位置精度影響較小。圖7 為機械手作水平和豎直兩種回轉(zhuǎn)運動方式，同一控制精度下水平面內(nèi)的定位精度對比。可見:控制偏差角同為α 時，水平回轉(zhuǎn)運動在水平面內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差X，遠大于豎直回轉(zhuǎn)運動在水平面內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差Y。此外，采用豎直回轉(zhuǎn)還可以共用一套模具移動機構(gòu)帶動多個模具和共用一套抓取驅(qū)動機構(gòu)帶動多個機械臂同時動作，實現(xiàn)多塊馬賽克同時排版，在經(jīng)濟性與可靠性上都更具優(yōu)勢。整機工作原理見圖1。

圖8 片料排序型排序送料示意圖

圖9 抓取機構(gòu)示意圖

圖10 模具移動機構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣系統(tǒng)采用PLC 作為主控元件，上料機的上料速度一旦調(diào)整好后一般不需要經(jīng)常調(diào)整，故各上料機電機速度采用獨立手動調(diào)整控制。另外，傳送帶的速度調(diào)整好后也不需要經(jīng)常調(diào)整，故對應(yīng)電機速度也采用獨立手動調(diào)整控制，但各電機的啟動和停止由PLC 集中控制。

各種顏色正反翻轉(zhuǎn)和匯集沒有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，故可同時并行進行。但排序必須根據(jù)預(yù)存圖案對應(yīng)位置的顏色代碼i 使第i 種顏色的顏色選中標(biāo)志置位，只有選中的那組排序送料機構(gòu)才動作。若以D100 存放當(dāng)前顏色代碼，當(dāng)選中第i 種顏色，則D100 寄存器第i 位二進制位被置1，這樣就很容易判別當(dāng)前選中哪一種顏色。可編程控制器的流程圖見圖11。正反判別及翻轉(zhuǎn)和排序及送料程序有N 組，其邏輯動作相同，故僅畫出其中一組。

圖11 PLC 軟件控制流程圖

4 結(jié)束語

藝術(shù)馬賽克在建筑裝飾行業(yè)有著巨大的市場潛力。然而，我國的藝術(shù)馬賽克生產(chǎn)企業(yè)目前絕大部分都是采用人工進行排版，效率低、錯誤率高。文中設(shè)計的馬賽克自動排版生產(chǎn)線，特別是集識別、翻轉(zhuǎn)與匯集為一體的機構(gòu)，巧妙地解決了藝術(shù)馬賽克自動上料、使出料面一致、正反面識別翻轉(zhuǎn)和匯集占用空間大等問題，實現(xiàn)自動排版。在此基礎(chǔ)上還編制了馬賽克的排版工藝流程和控制方案。對降低企業(yè)生產(chǎn)對人力的依賴程度，促進整個藝術(shù)馬賽克行業(yè)的發(fā)展有積極的意義。

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